不同氣氛下煤_廢塑料共熱解特性的對比研究

1、第21卷第4期煤炭轉(zhuǎn)化V o l121N o14 1998年10月COAL CONV ER S I ON O ct11998不同氣氛下煤2廢塑料共熱解特性的對比研究廖洪強(qiáng)1李保慶2劉力3張碧江2摘要實(shí)驗(yàn)在10g固定床反應(yīng)器中考察了兗州高硫煤與5%聚乙烯(PE混合分別在焦?fàn)t煤氣(CO G,H2和N2氣氛下共熱解產(chǎn)物收率及硫、氮分布。結(jié)果表明,與原煤熱解結(jié)果相比,添加5%PE后兗州煙煤在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解中凈煤熱解焦油(扣除PE自身熱解產(chǎn)油量增加517%,水分降低118%,增加的焦油量與降低的水分分別占原煤熱解焦油及水分產(chǎn)量的2312%和1713%;在H2氣氛下熱解焦油收率略有降低,半焦和水分與原

2、煤熱解相當(dāng);在N2氣氛下熱解焦油收率增加215%,水分降低113%.添加廢塑料后此三種氣氛下熱解所得單位半焦及焦油中的硫、氮相對含量均有不同程度的降低,但其脫硫脫氮效果并不明顯。煤2廢塑料在熱解中具有協(xié)同作用,影響熱解產(chǎn)物收率及相對含量。關(guān)鍵詞煤2廢塑料,共熱解,反應(yīng)氣氛中圖分類號TQ53012,TQ52016,X780引言煤加氫熱解是介于氣化和液化之間的第3條煤轉(zhuǎn)化途徑。1該工藝在獲得大量富含苯、甲苯、二甲苯(B TX、酚、甲酚、二甲酚(PCX、萘等優(yōu)質(zhì)焦油及富含甲烷的高熱值煤氣的同時(shí),還可得到低硫、低氮的潔凈半焦24,可望實(shí)現(xiàn)煤高效潔凈利用。但傳統(tǒng)加氫熱解需要制氫、氣體循環(huán)與凈化等復(fù)雜的工

3、藝過程增加成本及投資費(fèi)用,阻礙該工藝進(jìn)一步工業(yè)化。尋找廉價(jià)的氫源頂替純氫進(jìn)行加氫熱解是該工藝發(fā)展方向之一。5煤2焦?fàn)t氣共熱解是在傳統(tǒng)加氫熱解和煤2甲烷快速熱解基礎(chǔ)上發(fā)展起來旨在用廉價(jià)焦?fàn)t煤氣代替純氫進(jìn)行加氫熱解以降低其成本和投資費(fèi)用的一種新工藝。研究表明6,該工藝與煉焦工業(yè)相結(jié)合可降低傳統(tǒng)加氫熱解約三分之二總投資費(fèi)用。這非常適合我國富產(chǎn)焦炭和富藏?zé)峤庥妹旱膰?。有關(guān)煤2焦?fàn)t氣共熱解可行性和優(yōu)越性的研究,國內(nèi)外近期均有報(bào)道。79近期研究結(jié)果表明10:與相同總壓的加氫熱解相比,煤2焦?fàn)t氣共熱解焦油收率降低,水分含量增加。如何提高煤2焦?fàn)t氣共熱解焦油收率降低水分含量又成為該領(lǐng)域的新課題。本文在有關(guān)煤

4、與廢塑料共處理研究1114的基礎(chǔ)上,首次將廢塑料用于煤2焦?fàn)t氣共熱解中,希望達(dá)到在處理廢棄物的同時(shí),實(shí)現(xiàn)該工藝的增油降水。實(shí)驗(yàn)采用兗州煙煤與廢塑料聚乙烯(PE混合加入10g固定床反應(yīng)器中分別在焦?fàn)t煤氣、氫氣和氮?dú)鈿夥障鹿矡峤?確定其熱解產(chǎn)物半焦、焦油及水分的收率。半焦和焦油進(jìn)行元素分析以考察硫、氮分布。1實(shí)驗(yàn)部分熱解實(shí)驗(yàn)選用山東兗州高硫煤與添加5%的PE混合加入10g固定床反應(yīng)器中分別在焦?fàn)t氣、氫氣和氮?dú)鈿夥障鹿矡峤?。原煤粒度小?00目,熱解壓力為3M Pa,升溫速率為10 m in,終態(tài)溫度日本N EDO資助項(xiàng)目、山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(93014.1博士生;2研究員、博士生導(dǎo)師;3實(shí)

5、驗(yàn)師,中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,030001太原收稿日期:1998203230為650,氣體流速1L m in ,煤樣分析及焦?fàn)t氣組成見表1和表2,實(shí)驗(yàn)裝置及流程詳見文獻(xiàn)10.脫硫率按下式計(jì)算:Y S =(W 0S 0-W 1S 1100% W 0S 0其中:Y S 表示脫硫率;W 0和S 0分別表示原煤重量及原煤含硫百分?jǐn)?shù);W 1和S 1分別代表熱解半焦重量及其含硫百分?jǐn)?shù)(均為ar 基。脫氮率按下式計(jì)算:Y N =(W 0N 0-W 1N 1100% W 0N 0其中:Y N 表示脫氮率;W 0和N 0分別表示原煤重量及原煤含氮百分?jǐn)?shù);W 1和N 1分別代表熱解半焦重

6、量及其含氮百分?jǐn)?shù)(均為ar 基。表1煤性質(zhì)分析煤樣工業(yè)分析 %,arM A V 元素分析 %,dafC H N SO 3兗州煤11531741147913510112210211143差減所得結(jié)果。表2反應(yīng)氣組成分析組成焦?fàn)t煤氣 %組成焦?fàn)t煤氣 %H 260189C 2H 41147CH 420167C 2H 60146CO 6185C 3H 60107N 27179H 2S312E 25CO 211802結(jié)果與討論211焦?fàn)t氣氣氛下共熱解5g 兗州高硫煤添加0125g PE 后,在壓力為3M Pa ,升溫速率為10 m in ,終態(tài)溫度為650的實(shí)驗(yàn)條件下與焦?fàn)t氣共熱解。凈煤熱解產(chǎn)物收率(扣

7、除塑料自身熱解所產(chǎn)焦油量以及單位半焦、焦油中硫、氮含量見表3和表4.從表3所列結(jié)果可以看出,與原煤熱解相比,添加5%PE 后兗州煤2焦?fàn)t氣共熱解焦油收率增加517%,水分降低314%.增加的焦油量和降低的水分分別占原煤熱解焦油及水分總量的2312%和1713%(均為煤收到基重量百分?jǐn)?shù)。同時(shí)半焦收率略有增加(為212%,占原煤半焦收率的318%.表4列出了熱解所得單位半焦和焦油中硫、氮相對含量。添加塑料后,煤2焦?fàn)t氣共熱解半焦和焦油中的硫、氮含量均有所降低(與原煤熱解半焦及焦油相比。煤中硫、氮在熱解產(chǎn)物中的分布見圖1.與原煤熱解相比,添加5%PE 后硫在熱解產(chǎn)物中分布相差不明顯,而氮在焦油中的分

8、布有較明顯的增加。以上分析結(jié)果表明,在煤2焦?fàn)t氣共熱解中添加少量廢塑料同時(shí)具有顯著增油降水和微弱脫硫脫氮作用。說明煤與廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解中具有協(xié)同效應(yīng),其具體作用機(jī)理還有待于通過分析熱解產(chǎn)品的組成來進(jìn)一步深入探討。表3兗州煤與5%PE 在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解中凈煤熱解產(chǎn)物收率PE煤 %半焦焦油水05714 90表4兗州煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解所得單位半焦及焦油中硫和氮相對含量PE煤 %半焦中S N 焦油中圖1兗州煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解產(chǎn)物中硫和氮的分布36第4期廖洪強(qiáng)等不同氣氛下煤2廢塑料共熱解特性的對比研究212氫氣氣氛下共熱解在3M Pa 氫氣氣氛下,兗州煤2廢塑料PE

9、 共熱解中凈煤熱解產(chǎn)物收率及單位半焦、焦油中硫、氮含量見表5和表6.表5兗州煤與5%PE 在氫氣氣氛下共熱解中凈煤熱解產(chǎn)物收率PE煤 %半焦焦油水分100表6兗州煤2廢塑料在氫氣氣氛下共熱解半焦及焦油中硫和氮相對含量PE煤 %半焦中S N 焦油中與原煤(不添加塑料熱解結(jié)果相比, 添加5%PE 后凈煤加氫熱解焦油收率降低214%,水分增加018%(均為% 煤,ar .半焦中硫含量略為降低,氮含量有所增加。焦油中硫和氮含量均明顯降低。硫、氮在熱解產(chǎn)物中的分布見圖2.與原煤加氫熱解相比,添加塑料后半焦中硫基本相當(dāng),氮有所增加,焦油中硫、氮分布均降低,這與硫、氮在單位半焦及焦油中含量變化趨勢一致。以上

10、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在煤加氫熱解中添加廢塑料不但沒有增油降水效應(yīng)反而降低焦油收率增加水分含量,同時(shí)無明顯脫硫作用,使脫氮率有所降低。但焦油中硫、氮含量有較明顯的降低。與上述在煤2焦?fàn)t氣共熱解中添加廢塑料的增油降水結(jié)果相比,說明焦?fàn)t煤氣中的甲烷、一氧化碳等組分在共熱解過程中與廢塑料發(fā)生某種作用,從而提高焦油收率降低水分含量。其具體作用機(jī)理有待于進(jìn)一步探討。圖2兗州煤2廢塑料加氫熱解產(chǎn)物中硫和氮的分布213氮?dú)鈿夥障鹿矡峤?g 兗州高硫煤添加012g PE 后在壓力為3M Pa ,升溫速率為10 m in ,終態(tài)溫度為650的實(shí)驗(yàn)條件下與氮?dú)夤矡峤?。凈煤熱解產(chǎn)物收率見表7.從表7所列結(jié)果可以看出,與原煤

11、熱解相比,添加5%PE 后兗州煤在氮?dú)鈿夥障聼峤饨褂褪章试黾?15%,水分降低113%.增加的焦油量和降低的表7兗州煤與5%PE 在氮?dú)鈿夥障鹿矡峤庵袃裘簾峤猱a(chǎn)物收率PE煤 %半焦焦油水分65水分分別占原煤熱解焦油及水分總量的13%和3412%(均為煤收到基重量百分?jǐn)?shù)。同時(shí)半焦收率降低3%,占原煤半焦收率的414%.說明廢塑料與煤在惰性氣氛下共熱解也具有一定的增油降水作用,但不如在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解效果明顯。214三種氣氛下熱解產(chǎn)物收率對比原煤和添加5%PE 的煤2廢塑料混合物分別在3M Pa 焦?fàn)t煤氣、氫氣和氮?dú)鈿夥障聼峤獍虢埂⒔褂图八质章史謩e見第65頁圖3.圖3(a 表明,兗州煙煤在相同

12、總壓的此三種氣氛下熱解半焦收率為:N 2>CO G >H 2,焦油收率為:H 2>CO G >N 2,水分含量為:CO G >H 2>N 2.添加5%PE 后,凈煤熱解半焦收率為:N 2>CO G >H 2,焦油收率為:CO G46煤炭轉(zhuǎn)化1998年>H 2>N 2,水分含量為:H 2>CO G >N 2.這說明在煤2焦?fàn)t氣共熱解中添加廢塑料具有較為明顯的增油降水效應(yīng),而在煤加氫熱解或在惰性氣氛下熱解中則具有相反效應(yīng)或增油降水不明顯。在煤2焦?fàn)t氣共熱解中添加5%PE ,可使其凈煤熱解焦油收率較相同總壓下的原煤加氫熱解增加近

13、5%,水分含量基本相當(dāng) 。圖3兗州煤與添加5%PE 在不同氣氛下熱解產(chǎn)物收率3結(jié)束語用焦?fàn)t煤氣代替純氫進(jìn)行加氫熱解可大大降低其成本和投資費(fèi)用,從而具有更大的經(jīng)濟(jì)可行性。在煤2焦?fàn)t氣共熱解中加入適量廢塑料不僅可以明顯提高焦油收率,降低水分含量,而且在相同總壓下可超過加氫熱解焦油收率,并保持水分含量基本相當(dāng)。這在增加煤2焦?fàn)t氣共熱解工藝經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),為廢塑料的回收增值利用開辟了一條新的途徑。在煤2焦?fàn)t氣共熱解和煤在惰性氣氛下熱解中添加廢塑料均有不同程度的增油降水效應(yīng),但在加氫熱解中則相反。這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的作用機(jī)理有待于進(jìn)一步探討。參考文獻(xiàn)3Sugaw ara T ,Sugaw ara K ,O h

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17、K ey L abora tory of Coa l Conversion,Institu te of Coa l Che m istry,Ch inese A cad e m y of S ciences,030001T a iy uanABSTRACTCop yro lysis of Yanzhou coal and po lyethylene(PEunder coke2oven gas (CO G,hydrogen and n itrogen w ere carried ou t in a10g fixed2bed reacto r under the p ressu re of3M P

18、a and heating rate of10 m in up to650and the con ten ts of su lfu r and n itrogen in char and o il w ere determ ined.T he resu lts indicated that adding5%PE in cop yro lysis of Yanzhou coalw ith CO G,the o il yield increased517%m o re than that of non2PE,and the w ater decreased abou t 118%(excluding the p roducts of PE.T he yields of increased o il and decreased w ater accoun ted fo r2312%and1713%of coal p yro lysis w ithou t PE,resp ectively.In cop yro lysis of Yanzhou coal w ith5%PE under n itrogen,o il yield increased and w ater decreased215%,and w ate